SAP84在地铁工程设计中应用示例

1《地下结构专业工作手册》系列之一——————————————————————————————————有限元分析软件sap84使用手册城交分院地下结构所二零零五年五月1目录（SAP84）1软件介绍...........................................................................................11.1软件概述...................................................................................................11.2软件安装...................................................................................................21.3获得帮助...................................................................................................22工程算例...........................................................................................32.1问题描述...................................................................................................32.2计算步骤...................................................................................................43注意事项.........................................................................................123.1建立计算模型.........................................................................................123.2选取单位制.............................................................................................123.3关于自重.................................................................................................133.4关于材料参数.........................................................................................133.5荷载工况及组合.....................................................................................143.6弹簧刚度.................................................................................................153.7梁柱弯矩放松.........................................................................................154常用参数表....................................................................................164.1地基土的基床系数.................................................................................165计算单内容....................................................................................1711软件介绍1.1软件概述SAP84是以有限元法为基础的结构分析软件，由北京大学力学系袁明武教授主持开发。自1982年开发以来至今已有近二十多年的历史，目前SAP84版本6.5已经推出。为了考证有限元程序的正确性，SAP84对美国CSI公司产品SAP2000的大部分算例都进行了计算和对比。SAP84软件是一个高度模块化的系统，它包括下列模块：a平面模型图形输入系统PlanIn。PlanIn能够处理平面框架、桁架、钢架、平面应力和平面应变问题，用荷载结构模型进行地下结构分析一般采用此模块。b结构设计图形后处理软件GPOST。c与现行规范配套的混凝土配筋模块REIN和钢结构校核模块SS88（2004年）。d功能强大的图形交互系统GIS。GIS能够处理空间框架、桁架、网架、钢架、壳体和地下结构问题，对于空间效应明显的地下结构一般采用此模块分析。e桩基承载力分析模块GPILE。f独特的施工模拟分析模块XCONSTR。g二维有限元网格自动生成及建模程序AutoMESH2D（其功能同时集成在GIS中）h三维实体单元网格自动生成及建模程序AutoMESH3D。i高层建筑专用前处理程序SAGS和后处理程序SAGSOUT。SAP84各模块之间的关系如图1.1所示。2图1.1模块关系图1.2软件安装用户在购买SAP84后即得到：一张软盘（含同加密狗配套的授权文件SAP84V60.INI）；一张光盘（含安装文件SETUP.EXE）；一个加密插头。用户可以启动光盘上的SETUP.EXE进行安装，然后按照SETUP的提示进行。如果安装的是正式版，安装过程中需要把授权文件SAP84V60.INI文件拷入SAP84安装目录。如果用户系统为WindowsNT或Windows2000，并且是第一次安装SAP84，安装程序会要求安装并口驱动程序。安装完成之后请将加密插头插到并行口LPT1上，然后就可以通过SAP84程序组启动SAP84集成环境系统SAPGUIDE。1.3获得帮助在学习或者应用软件过程中，如果遇到困难可以通过几种途径来解决：a软件配有一套纸质说明书，以供阅读；3b在软件启动后，按F1键出现在线帮助；c“开始”→“程序”→“SAP84”可找到帮助系统文件夹和演示程序。2工程算例PlanIn是地下结构专业最常用的模块，这里主要介绍PlanIn的使用方法。如果欲掌握建立空间模型的基本方法，可学习GIS帮助中建立半球壳的例子。2.1问题描述某地铁车站结构横断面如图2.1所示，构件所用材料为C30钢筋混凝土。地基土水平、竖直基床系数为40MPa/m。结构所受永久荷载如图2.2所示，所受可变荷载如图2.3所示。6001285039001560014000800585080013001200图2.1结构横断面图图2.2永久荷载图4图2.3可变荷载图2.2计算步骤根据已知条件，建立模型，计算该结构的内力和位移。计算步骤如下：（1）启动软件，选取单位制，进行选项设置。点击桌面图标启动SAP84，进入后点击，点击“文件”“新建”“保存”，文件名只可以英文字母命名。点击“参数”“选取单位制”，选择“kN、m”，点击确定。点击“参数”“选项设置”，确认选择了“考虑材料引起的自重”一项。（2）生成节点和单元，建立几何模型。点击“几何”“绝对坐标生成节点”，在界面底部输入表2.1中节点坐标，生成6个节点。点击“显示”“显示选项”，选中“节点号”一项，屏幕显示出节点编号，如图2.4所示。表2.1节点坐标值节点号yz10.0000.000214.8000.000314.8006.800414.80011.60050.00011.600560.0006.800图2.4点击“几何”“梁柱生成”，在“常用工具与按钮”中选择“直线生成”，用鼠标连续选择节点1和节点2，在屏幕出现的对话框中输入要生成的单元数目，生成车站结构的底板。如此方法生成侧墙、顶板和中板，完整的车站结构如图2.5所示。6图2.5（3）设置构件材料和截面。点击“参数”“管理材料库”“添加材料”，输入“C30”，“混凝土强度等级”中显示“30”，其余参数不需输入，软件将自动赋值。点击“参数”“管理普通截面库”“添加截面”，输入“底板”，在“截面参数”中输入截面高（1.3）和截面宽（1.0）的数值，屏幕如图2.6所示。如此方法生成顶板（截面高1.2和截面宽1.0）、中板（截面高0.6和截面宽1.0）和侧墙（截面高0.8和截面宽1.0）的截面尺寸。7图2.6点击“属性”“梁柱材料”，选择所有的梁柱单元，选中的单元会改变颜色。单击鼠标右键，选择“应用选择对象”，所有单元被赋予了材料属性。点击“属性”“梁柱截面”，确认截面参数显示为“底板”，选中所有底板单元。单击鼠标右键，选择“应用选择对象”，所有底板单元被赋予了截面属性。如此方法将截面属性分别赋予给顶板、中板和侧墙单元。此时屏幕如图2.7所示。图2.78（4）施加结构荷载，建立荷载工况，设置荷载组合。点击“荷载”“梁柱荷载”“改变荷载参数”，选中“以插值的方式确定梁柱荷载”。输入插值点1（-66）和插值点2（-66）的“荷载线密度值”，点击“退出然后捕捉2个插值点”，选择节点5和节点4，再选择顶板梁柱单元。单击鼠标右键，选择“应用选择对象”，选中单元被施加了相应荷载。如此方法施加中板荷载（-8）。点击“改变荷载参数”，选中“以插值的方式确定梁柱荷载”。选择“荷载作用方向”为整体坐标Y方向，输入插值点1（17.82）和插值点2（87.21）的“荷载线密度值”，点击“退出然后捕捉2个插值点”，选择节点5和节点1，再选择左侧侧墙梁柱单元。单击鼠标右键，选择“应用选择对象”，选中单元被施加了相应荷载。如此方法施加右侧侧墙荷载（-17.82，-87.21）。此时屏幕如图2.8所示。图2.8点击“常用工具与按钮”，“工况1”，输入“2”，进入工况2，施加结构承受的活荷载。方法如上所述，顶板施加荷载（-20，-20），左侧侧墙施加荷载（5.4，5.4），右侧侧墙施加荷载（-5.4，-5.4）。此时屏幕如图2.9所示。9图2.9点击“荷载”，“荷载组合”，“添加”，“+”，“工况号”中输入“1”，“荷载系数”中输入“1.485”。“+”，“工况号”中输入“2”，“荷载系数”中输入“1.54”，点击“确定”。“添加”，“+”，“工况号”中输入“1”，“荷载系数”中输入“1.0”。“+”，“工况号”中输入“2”，“荷载系数”中输入“1.0”，点击“确定”。点击“确定”。点击“荷载”，“位移组合”，“添加”，“+”，“工况号”中输入“1”，“荷载系数”中输入“1.0”。“+”，“工况号”中输入“2”，“荷载系数”中输入“1.0”，点击“确定”。点击“确定”。（5）施加结构约束条件。点击“节点”，“接地弹簧刚度”，在“Dz”中输入“-1”，在“弹簧刚度”中输入“37000”，选择“只能受压”，用鼠标选择节点1和节点2，点击右键，选择“应用选择对象”，节点1和节点2处显示设置了受压弹簧。如此方法设置表2.2所列节点处的弹簧，结果如图2.10所示。表2.2弹簧刚度值节点号Kz节点号节点号Ky1370005424000774000271948000874000281848000109740002917480001074000635800011740003016680001274000311568000137400032146800023700012